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DSP原理及應(yīng)用課程的層次遞進體系教學(xué)方法研究
DSP原理及應(yīng)用課程的層次遞進體系教學(xué)方法研究
陳朝陽，李小魁，李娜
�。ê幽瞎こ虒W(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南鄭州451191）
摘要：數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是用于通信、電子、自動控制及儀器儀表領(lǐng)域的數(shù)字信號處理中的主要處理芯片，其高速并行運算和豐富的指令造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程工具功能多，掌握難度大。本文探討在DSP教學(xué)中，采用體系教學(xué)方法，從與學(xué)生掌握的前修課程相銜接開始，分多個層次，理論與實踐并重推進教學(xué)進度，以2周的DSP課程設(shè)計作為DSP體系教學(xué)的驗收環(huán)節(jié)，在教學(xué)實踐中吸引了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的DSP應(yīng)用技能。
關(guān)鍵詞：DSP；體系教學(xué)；層次遞進教學(xué)
作者簡介：陳朝陽（1968-），男，河南孟州人，博士，高級工程師，研究方向：通信新技術(shù)。
DSP是指數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor）。其強大的乘法及乘累加運算和并行處理能力，使其在通信設(shè)備、電子信息、自動控制和儀器儀表領(lǐng)域的地位越來越重要。社會對掌握DSP技術(shù)的專業(yè)工程技術(shù)人才有強烈需求，DSP原理及應(yīng)用課程是高等院校電氣、電子和通信專業(yè)的本科重要課程。我校的電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和通信工程專業(yè)都開設(shè)了DSP技術(shù)課程。為了培養(yǎng)高能力的DSP技術(shù)人才，適應(yīng)建設(shè)應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)的要求，我們立足于充分利用現(xiàn)有資源，在前修課程中為DSP技術(shù)課程相關(guān)的內(nèi)容作好鋪墊，在DSP課程授課結(jié)束后，緊接著安排DSP技術(shù)課程設(shè)計，形成DSP技術(shù)課程體系。本文總結(jié)我們在DSP課程體系方面的探索成果。
一、DSP原理及應(yīng)用課程特點和教學(xué)方法現(xiàn)狀
DSP原理及應(yīng)用課程是一門以數(shù)字信號處理理論和算法為基礎(chǔ)的實踐性較強的課程。這門課程的前修課程應(yīng)當包括：計算機原理基礎(chǔ)、C語言編程、嵌入式ARM技術(shù)及應(yīng)用、數(shù)字信號處理等。如果說，MATLAB等仿真工具可以應(yīng)用于像信號與系統(tǒng)、通信原理、數(shù)字信號處理等理論課程的學(xué)習(xí)，使理論被形象地呈現(xiàn)出來，DSP原理及應(yīng)用則讓理論在工程中的實際應(yīng)用得以實現(xiàn)。MATLAB可以作為一種簡捷、易用的編程語言來學(xué)習(xí)，DSP則不能僅僅被當作一種通用處理器來學(xué)習(xí)，因為那樣會讓學(xué)生困惑：已經(jīng)有了單片機處理器、ARM處理器和通用的8086系列處理器，為什么還需要DSP呢？可是，DSP原理及應(yīng)用教材往往將這門課程看得相當獨立，像單片機技術(shù)、微機原理或嵌入式ARM技術(shù)一樣，將DSP看作一種處理器，從硬件結(jié)構(gòu)開始講起，接著講匯編指令集，再接著講C語言編程，然后講集成編程環(huán)境、外設(shè)和應(yīng)用。
按教學(xué)順序安排的教學(xué)內(nèi)容包括：DSP芯片的概念及其發(fā)展歷史；DSP芯片的硬件結(jié)構(gòu)，包括總體結(jié)構(gòu)、封裝和引腳功能、CPU結(jié)構(gòu)、寄存器、存儲空間和I/O空間、堆棧操作、中斷和復(fù)位；尋址方式和匯編指令系統(tǒng)；匯編語言編程，包括目標文件格式、匯編器、匯編偽指令、匯編語言源文件的書寫格式、鏈接器；集成開發(fā)環(huán)境（CCS），包括CCS的基本操作、工程項目的調(diào)試；C語言程序設(shè)計，包括DSPC語言編程基礎(chǔ)、DSPC編譯器的使用、C代碼優(yōu)化、C和匯編語言混合編程；應(yīng)用程序設(shè)計，包括定標與溢出處理、基礎(chǔ)算術(shù)運算、FIR濾波器和IIR濾波器、快速傅里葉變換；片上外設(shè)，包括時鐘發(fā)生器、通用定時器、通用IO口、外部存儲器接口、多通道緩沖串口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、看門狗定時器；硬件擴展，包括外部程序存儲器擴展、外部數(shù)據(jù)存儲器擴展。
將DSP外圍電路提前到DSP芯片結(jié)構(gòu)單元中，雖然考慮了學(xué)生對處理器的硬件原理相對容易接受的實際情況，但帶來的問題是不容易解釋DSP外設(shè)寄存器的地址和尋址、配置，并且沒有突出DSP的高速并行計算和高速乘加計算的特征。
DSP芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足并行處理和高速乘加運算的要求，以適應(yīng)數(shù)字信號處理的線性算法處理要求，但也造成了DSP芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、指令十分豐富，從而需要進行混合編程和編程優(yōu)化，特別是適應(yīng)現(xiàn)代先進的項目工程理念，要求按工程單位組織程序文件，這些都給學(xué)生掌握和理解DSP造成了困難。按部就班的教學(xué)模式往往不能取得滿意的效果，因此提出了改革DSP原理及應(yīng)用課程教學(xué)的建議，但是沒有提到和前修課程形成體系教學(xué)，也沒有提到和前修課程的知識和技能相銜接的問題，因此沒有涉及DSP原理及應(yīng)用課程本身的教學(xué)內(nèi)容順序調(diào)整的問題。
二、層次遞進的體系教學(xué)方法
鑒于DSP原理及應(yīng)用課程的掌握難度系數(shù)較大，需要充分利用前修課程和后續(xù)課程設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，做到前有鋪墊、中有層次、后有強化。前有鋪墊是指在前修的信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理課程及通信原理課程中，強調(diào)數(shù)字信號處理理論算法（如卷積、數(shù)字濾波）和數(shù)字調(diào)制解調(diào)、編譯碼等算法可用DSP處理器實時實現(xiàn)。中有層次是指在DSP原理及應(yīng)用課程的授課過程中，應(yīng)注意學(xué)習(xí)的客觀規(guī)律性，將整個課程的授課內(nèi)容進行層次劃分：第一層次主要是與前修課程，如數(shù)字信號處理理論、通信原理理論等的銜接，并注意討論單片機和ARM處理器不能做到實時性，通用處理器一般沒有硬件實現(xiàn)的乘法，以突出DSP芯片的獨特特色；以CCS（集成編程環(huán)境）下的C語言編程開始教學(xué)，輔以CCS的使用，F(xiàn)IR濾波器、卷積等數(shù)字信號處理算法在DSP上用C語言實現(xiàn)等課內(nèi)實驗，突出DSP做數(shù)字信號處理的主要功能；第二層次內(nèi)容集中于DSP芯片的結(jié)構(gòu)、尋址方式、外設(shè)、指令系統(tǒng)及匯編語言編程；第三層次內(nèi)容包括C語言和匯編語言混合編程、程序優(yōu)化、應(yīng)用程序設(shè)計和C55X的硬件擴展等內(nèi)容。DSP原理及應(yīng)用課程結(jié)束后，緊接著有兩周或更長時間的DSP課程設(shè)計對學(xué)生所掌握的DSP知識和技能進行強化。這樣，把數(shù)字信號處理課程、專業(yè)基礎(chǔ)理論課程、C語言編程課程及DSP課程設(shè)計等都納入DSP的體系教學(xué)中。各層次理論教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)內(nèi)容的學(xué)時分配如表1所示。
�。ㄒ唬┑谝粚哟蔚睦碚摻虒W(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)內(nèi)容
第一層次教學(xué)內(nèi)容要盡量銜接學(xué)生所擁有的基礎(chǔ)知識。一般在學(xué)習(xí)DSP原理及應(yīng)用課程時，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了計算機原理基礎(chǔ)、數(shù)字電路和C語言編程課程，學(xué)習(xí)過數(shù)字信號處理和通信原理、信號與系統(tǒng)等專業(yè)基礎(chǔ)課程，而對處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和匯編語言還是比較陌生的。因此，第一層次的理論教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該安排：DSP數(shù)字信號處理器的基本概念、DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS及其基本操作、DSP C/C++語言編程基礎(chǔ)，用兩個C語言為基礎(chǔ)的DSP編程實驗結(jié)束第一層次的教學(xué)。
第一層次的教學(xué)內(nèi)容主要讓學(xué)生了解DSP的概念和特點，通過C語言程序在DSP上運行，讓學(xué)生抓住DSP是一種處理器這一共性，并通過DSP運行，如FIR濾波的數(shù)字信號處理C語言程序，讓學(xué)生找到學(xué)習(xí)DSP的切入點。
�。ǘ┑诙䦟哟蔚睦碚摻虒W(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)內(nèi)容
第二層次的教學(xué)目的是讓學(xué)生逐漸領(lǐng)會DSP的特色：并行處理的流水線結(jié)構(gòu)、快速的硬件乘法。因此，第二層次的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該安排：DSP芯片的總體結(jié)構(gòu)，包括DSP處理器的特點、多內(nèi)部總線、中央處理單元、存儲空間結(jié)構(gòu)；片上外設(shè)，包括時鐘發(fā)生器、通用定時器、外部存儲器接口等，并安排相應(yīng)的外設(shè)實驗；接著講授尋址方式和匯編指令系統(tǒng)、通用目標格式文件和段的概念、匯編偽指令、匯編語言源程序的格式、匯編語言編程實驗；然后用匯編語言編程實驗結(jié)束第二層次的教學(xué)內(nèi)容。
匯編語言在狀態(tài)寄存器各標志位的應(yīng)用方面很簡潔，比如溢出的判斷是C語言所不容易實現(xiàn)的。但是第二層次的教學(xué)內(nèi)容要讓學(xué)生體會到匯編語言對于DSP處理實時性復(fù)雜算法的必要性和匯編語言的高效性。
（三）第三層次的理論教學(xué)內(nèi)容和實踐教學(xué)內(nèi)容
第三層次的教學(xué)內(nèi)容在第一層次和第二層次教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生的知識得以融會貫通，將所學(xué)的DSP知識升華，形成體系性的技能，為今后職業(yè)生涯中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。安排的教學(xué)內(nèi)容包括：C語言與匯編語言的混合編程，包括寄存器規(guī)則、函數(shù)結(jié)構(gòu)和調(diào)用規(guī)則、C語言和匯編語言的接口等內(nèi)容；應(yīng)用程序設(shè)計，包括定標與溢出處理、基礎(chǔ)算術(shù)運算、FIR和IIR濾波器的混合語言編程；DSP硬件擴展，包括基本電路中的電源電路、調(diào)試接口電路、復(fù)位電路、時鐘電路等的設(shè)計，外部程序存儲器的擴展、外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展、DSP與A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的接口等內(nèi)容；安排C語言和匯編語言混合編程實驗，比如FFT快速傅里葉變換的DSP實現(xiàn)、自適應(yīng)系統(tǒng)辨識的DSP實現(xiàn)等綜合性實驗。
三、后續(xù)強化教學(xué)實踐環(huán)節(jié)的展望
在緊接著DSP原理及應(yīng)用課程的DSP應(yīng)用課程設(shè)計中，安排DSP應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計、安排了各種應(yīng)用實驗，從外設(shè)的相關(guān)實驗，到數(shù)字圖像信號處理、通信與語音信號采集與分析等綜合性實驗。也拿出通信教研室和電子教研室的相關(guān)科研項目，如“WLAN系統(tǒng)中的智能天線定位系統(tǒng)”等供學(xué)生探討與研究。
DSP原理及應(yīng)用課程采用了層次化的體系教學(xué)方法，由于遵循了教育規(guī)律，由易入難、由淺入深，把較難的學(xué)習(xí)掌握系數(shù)分攤到各個層次的教學(xué)中，避免了一開始就把學(xué)生嚇住，從而變?yōu)檠驖u進、螺旋式上升、持續(xù)勻速提升知識技能的學(xué)習(xí)，明顯提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也取得了良好的學(xué)習(xí)效果。
參考文獻：
[1]趙洪亮，卜凡亮，等。TMS320C55x DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].第2版。北京航空航天大學(xué)出版社，2010.
[2]謝海霞，孫志雄。DSP技術(shù)課程教學(xué)方法研究與實踐[J].電子設(shè)計工程，2012，40（8）：10-14.
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